JP5078583B2 - マクロ検査装置、マクロ検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、被検査物の表面の平坦度を検査するマクロ検査装置および方法に関し、より詳細には、基板上の薄膜の平坦度を検査するマクロ検査装置および方法に関する。

半導体、液晶等の製造工程で行われる検査の一つにマクロ検査がある。マクロ検査とは、一般に人間が目視で、製造された膜等の表面の欠陥（平坦度、きずの有無等）を見つける検査である。マクロ検査は、人間の目が見分けることができる限りにおいて、広い面積での欠陥を一度に見つけることができる点で有効な検査である。

膜の平坦度、すなわち膜厚のばらつき（不均一性）を調べるマクロ検査として、従来から干渉光を利用する検査が行われてきた。干渉光を利用する検査では、狭波長の光を膜に照射して、その膜からの干渉光を検出する。しかし、この方法は干渉が起こらない、光が透過しない膜には利用できない。すなわち、従来の干渉光を利用する方法では、光が透過する膜しか検査できないという制約があった。

従来の表面欠陥のマクロ検査装置として、例えば日本の公開特許公報2003-28621がある。この公報は、検査照明用光の正反射光を受光せずかつ散乱光を効率よく受光する位置に受光ユニットを配置する表面欠陥検査装置を開示する。

公開特許公報、特開2003-28621号

本発明の目的は、被検査物の表面の平坦度を高感度で簡易に検出することである。

本発明は、被検査物の表面の平坦度を検査するマクロ検査装置であって、被検査物を乗せるステージと、被検査物の上面に対して任意に選択した角度方向からその上面に光を照射する光源と、光源によって照射されるその上面の領域のエッジに光軸が合うように、被検査物の上面に対して選択した角度方向に置かれ、その上面の領域のエッジからの反射光を受光するライン・センサとを備える、マクロ検査装置を提供する。

本発明は、光源とライン・センサを用いて被検査物の表面の平坦度を検査するマクロ検査方法であって、光源を被検査物の上面に対して任意に選択した角度にセットして、その上面に光を照射するステップと、光源によって照射されるその上面の領域のエッジに光軸が合うように、被検査物の上面に対して選択した角度にライン・センサをセットするステップと、選択された角度にセットされたライン・センサにより、その上面の領域のエッジからの反射光を受光するステップとを含む、マクロ検査方法を提供する。

図１は、本発明の一実施の形態のマクロ検査装置１００を示した図である。図１において、円形のステージ１上に被検査物２が載る。ステージ１は、ステージ・コントローラ４の制御下で、リニアモータ３によって、回転（θ）、水平（x）あるいは垂直（y）の方向に移動する。光源５は、コントローラ８の制御下で、ステッピング・モータ７によって、円弧状のレール６に沿って移動する。光源５の角度は、ステージ１上の被検査物２の上面に対して任意に設定される。光源の明るさは、光源用の電源１０によって調整される。ラインセンサカメラ９は、光源５と同様に、コントローラ８の制御下で、ステッピング・モータ７により、円弧状のレール６に沿って移動する。ラインセンサカメラ９の出力は画像処理手段１１に入る。画像処理手段１１は、ステージ・コントローラ４、コントローラ８、ラインセンサカメラ９および光源用の電源を制御する。

ステージ１は、被検査物２の表面以外からの反射光ができるだけ発生しにくい構造を有することが望ましい。具体的には、被検査物２が透明で、かつその表面での散乱光が十分に発生する場合、ステージ１は、光源５の光（波長）に対して鏡面となる材料からなることが望ましい。被検査物２の表面が鏡面で、かつその表面での散乱光が発生しない場合、ステージ１は、光源５の光（波長）を吸収し、つや消しの材料からなることが望ましい。被検査物２としては、例えば、半導体基板（半導体ウエハ）上の薄膜、ガラス基板上の液晶層、ハードディスク、パターンド・メディアが該当する。ただし、被検査物２はこれらに限られず、基本的に所定の面積の表面を有する物であれば何でも良い。

光源５は、被検査物２の表面に例えば長方形のような縦長（線状）の照射領域ができるように、光を照射できることが望ましい。言い換えれば、光源５は、被検査物２の表面に、所定の長さの線状のエッジを含む照射領域を形成できることが望ましい。その縦（エッジ）の長さは、被検査物２のサイズ、ラインセンサカメラ９の画素数等に応じて決める。光源５の構成としては、ハロゲン電球のような電球型の光源、あるいはLEDのような発光素子を列状の並べたもののいずれの形態であってもよい。光源５は、いずれの形態の場合も、レンズ等の光学系も有する。

ラインセンサカメラ９としては、CCDのような受光素子（画素）を列状に並べたセンサを有することが望ましい。ラインセンサカメラ９は、被検査物２の表面からの反射光を受光素子（画素）に導くためのレンズ等の光学系を含む。光源５とラインセンサカメラ９は、ステッピング・モータ７によって、所定の最小制御角度Δθ毎に、被検査物２の表面に対する角度が変えられる。ステッピング・モータ７による最小制御角度Δθは1/100度以下である。その最小制御角度はできるだけ小さいほうが望ましい。

画像処理手段１１は、所定の測定プログラムに基づき、ラインセンサカメラ９からの画像情報を処理する。画像処理手段１１は、各コントローラ４、８および照明用電源１０を制御する。画像処理手段１１は、ラインセンサカメラ９の制御用のカード（回路基板）、各コントローラ４、８あるいは照明用電源１０を制御するためのカード（回路基板）、画像データを格納するためのメモリ等を有する。画像処理手段１１としては、例えばディスプレイを有するパーソナル・コンピュータ（ＰＣ）が該当する。

図２は、図１のマクロ検査装置１００の光源５とラインセンサカメラ９の位置関係の一例を示す図である。被検査物２の表面に光源５による照明領域１５、言い換えれば光源自身が写りこんでいる。図２の(a)は、ラインセンサカメラ９の光軸１８が照明領域１５の左端の領域１６に合っている場合を示す。図２の(b)は、ラインセンサカメラ９の光軸１８が照明領域１５の右端の領域１７に合っている場合を示す。（a)と（b)の各々において、上の図は側面図であり、下の図は上面図である。符号１９は光源の光軸を意味する。光源の光軸１９とラインセンサカメラ９の光軸１８は一致していない。すなわち、ラインセンサカメラ９は、被検査物２の表面からの正反射光から光軸をずらした位置（角度）に置かれる。

図２に示すように、マクロ検査装置１００の一つの特徴は、ラインセンサカメラ９の光軸１８を光源５によって照射される領域１５のエッジ１６、１７に合わせることである。その理由は、そのエッジからの反射光が、非常に指向性が高いことを実験により見出したからである。本発明では、その指向性の高いエッジからの反射光を利用することで、被検査物２の表面の状態（平坦性）を検出する。なお、本出願で言うエッジは、照射領域の端のみならずその端を含む所定の領域（狭い幅）も含む。

指向性の高いエッジからの反射光を検出するためには、以下の関係を満たす必要がある。すなわち、ラインセンサカメラ９の画素サイズをｄ、光学倍率をＭ、その光軸１８の長さをＲ、ステッピング・モータ７によって制御可能な最小角度をΔθとした場合、
ｄ／Ｍ ≦ ２Ｒsin（Δθ/２） （１）
の関係を満たす必要がある。ここで、光学倍率Ｍは、ラインセンサカメラの長さＬ（例えば、CCDの場合、画素サイズ×画素数）と有効視野Ｆにより、
Ｍ＝Ｌ／Ｆ （２）
により、求まるパラメータである。光学倍率Ｍは、ラインセンサカメラに取り付けるレンズにより変わる。例えば、８５ｍｍレンズ、１０００ｍｍの対物間距離（基板からレンズまでの距離）、画素サイズ14μｍ、画素数2048画素の場合、Ｌ＝28.672ｍｍ、Ｆ＝305.272ｍｍ になるので、Ｍ ＝ 28.672 ／ 305.272 ＝ 0.0939となる。

式（１）は、概念的には、指向性の高い反射光を検出するためにはラインセンサカメラ９を被検査物２から所定の距離以上の遠くへ離す必要があることを示している。言い換えれば、式（１）は、被検査物２の表面からの反射光（光束）を便宜上一つのベクトルとみなした場合、ラインセンサカメラ９の画素サイズが、カメラ９の最小移動角度Δθよりも大きいと（光軸１８の長さが短いと）、そのベクトル以外の光束が増加して、指向性の高い反射光を捕らえることができなくなることを意味する。その場合、被検査物２の表面の平坦度を精度良く検出することができない。

式（１）において、例えば、画素サイズｄが１０マイクロメータ、制御可能な最小角度Δθが０．０１度の場合、光軸１８の長さＲは５７３ミリメートル以上必要となる。但しその時のマクロ検査光学系における光学倍率を０．１とする。

次に、本発明のマクロ検査方法の一実施形態を図１のマクロ検査装置を例にとり説明する。図３に図１の画像処理装置１１による制御フローを示す。この制御フローは、画像処理手段１１のメモリに格納させるプログラムによって実行される。被検査物２をステージ１上にセットする（ステップ３０）。この時、ステージ１を動かして、被検査物２を最初の測定位置まで移動させる。光源５を所定の角度にセットする（ステップ３１）。この時、光源５は、その光束が被検査物２の最初の測定位置に当たるようにセットされる。ラインセンサカメラ９を所定の角度にセットする（ステップ３２）。この時、ラインセンサカメラ９は、被検査物２の上面の光源５による照射領域のエッジ（図２の符号１６、１７）にその光軸が合うようにセットされる。ラインセンサカメラ９のセットについてはさらに後述する。

ラインセンサカメラ９で被検査物２の表面からの反射光を測定する（ステップ３３）。測定結果（反射光データ）は画像処理手段１１のメモリに格納される。その際、反射光のデータは、最初に輝度データとして、一端画像処理手段１１内の画像ボード（回路基板）に送られる。その後、輝度データは、その画像ボードから、一定の単位（例えば１ラインの輝度データ）毎に、画像処理手段１１内のメモリに送られ、そこで一端格納される。次の被検査物２の表面の測定位置までステージ１が移動する（ステップ３４）。この時、被検査物２の表面の照射領域が所定の間隔で移動する。ラインセンサカメラ９で被検査物２の表面からの反射光を測定する（ステップ３３）。反射光の測定（ステップ３３）とステージ１の移動（ステップ３４）を、被検査物２の表面の全ての測定領域が測定されるまで繰り返す（３５）。

メモリに格納された輝度データは、ビットマップ形式に変換された後、画像処理手段１１内の他のメモリ（ハードデイスク等）に格納される（ステップ３６）。画像処理の結果、被検査物２の表面のマクロ検査結果（画像）が得られる。なお、画像処理（ステップ３６）は、各反射光の測定（ステップ３３）ごとに、あるいは複数の測定ごとに行ってもよい。その場合は、最後に複数の画像処理結果（ビットマップ形式）が１つの画像として複合（編集）される。

図４は、ラインセンサカメラ９のセット（ステップ３２）の詳細を示すフローである。ラインセンサカメラ９を、被検査物２の表面の照射領域１５のエッジ１６（１７）から正反射光が受光できる角度θ１にセットする（ステップ４０）。ラインセンサカメラ９の角度を最小制御角度Δθごとに変えながら、正反射光が受光できなくなる角度θ２までラインセンサカメラ９を動かす（ステップ４１）。ラインセンサカメラ９を角度θ２から角度ｎΔθ（ｎは任意の自然数）だけ戻した角度（θ２−ｎΔθ）にセットする（ステップ４２）。ｎの値は被検査物２の表面状態等に応じて、より検出感度が良くなるように任意に設定される。

図５は、図１のマクロ検査装置により、半導体ウエハをステージ（吸着板）に吸着させた（真空引きした）状態で、その表面を測定した結果である。図５で特に明るい部分は凸部であり、逆に暗い部分は凹部である。ウエハの表面全体の歪、凹凸等の状態をマクロ的に観察することができた。

本発明の実施形態について、図１−図５を例にとり説明をした。しかし、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。

本発明の一実施の形態のマクロ検査装置を示す図である。 図１のマクロ検査装置の光源とラインセンサカメラの位置関係を示す図である。 図１の画像処理装置１１による制御フローを示す図である。 図３のラインセンサカメラのセット（ステップ３２）のフローを示す図である。 図１のマクロ検査装置による測定結果を示す図である。

符号の説明

１ ステージ
２ 被検査物
３ リニアモータ
４、８ コントローラ
５ 光源
６ レール
７ ステッピング・モータ
９ ラインセンサカメラ
１０ 光源用電源
１１ 画像処理装置
１５ 照明領域
１６、１７ 照明領域のエッジ
１８、１９ 光軸
１００ マクロ検査装置

Claims (10)

1. 被検査物の表面の平坦度を検査するマクロ検査装置であって、
   前記被検査物を乗せるためのステージと、
   前記被検査物の上面に対して任意に選択した角度方向から前記上面に光を照射する光源と、
   前記光源によって照射される前記上面の領域のエッジに光軸が合うように、前記被検査物の上面に対して選択した角度方向に置かれ、前記上面の領域のエッジからの反射光を受光するためのライン・センサと
   を備え、
   前記ライン・センサの画素サイズをｄ、光学倍率をＭ、光軸の長さをＲ、制御可能な最小角度をΔθとした場合、
   ｄ／Ｍ ≦ ２Ｒsin（Δθ/２）
   の関係を満たす、
   マクロ検査装置。
2. 前記光源によって照射される前記上面の領域は、所定の長さの線状のエッジを含む、請求項１のマクロ検査装置。
3. 前記光源は線状光源からなる、請求項１のマクロ検査装置。
4. 前記光源は、前記被検査物の上面に、所定の長さの線状のエッジを含む照射領域を形成させるための光学系を含む、請求項１のマクロ検査装置。
5. 前記被検査物は基板の表面に形成された薄膜を含む、請求項１のマクロ検査装置。
6. 前記ステージの表面は、鏡面または入射光を吸収する面を含む、請求項１のマクロ検査装置。
7. 前記ライン・センサの出力信号を受け取り、前記ライン・センサが受光した反射光量に対応した画像を生成する画像処理手段と、
   前記光源の角度を変えるための光源駆動手段と、
   前記ライン・センサの角度を変えるためのライン・センサ駆動手段と、
   前記ステージを移動させる移動手段と
   をさらに含む、請求項１ないし６のいずれか１項のマクロ検査装置。
8. 光源とライン・センサを用いて被検査物の表面の平坦度を検査するマクロ検査方法であって、
   光源を被検査物の上面に対して任意に選択した角度にセットして、前記上面に光を照射するステップと、
   前記光源によって照射される前記上面の領域のエッジに光軸が合うように、前記被検査物の上面に対して選択した角度にライン・センサをセットするステップと、
   前記選択された角度にセットされたライン・センサにより、前記上面の領域のエッジからの反射光を受光するステップと
   を含み、
   前記ライン・センサの画素サイズをｄ、光学倍率をＭ、光軸の長さをＲ、制御可能な最小角度をΔθとした場合、
   ｄ／Ｍ ≦ ２Ｒsin（Δθ/２）
   の関係を満たす、
   マクロ検査方法。
9. 前記ライン・センサをセットするステップは、
   前記ライン・センサを、前記被検査物の上面から正反射光が受光できる角度θ１にセットするステップと、
   前記ライン・センサの角度を最小制御角度Δθごとに変えながら、前記正反射光が受光できなくなる角度θ２まで前記ライン・センサを動かすステップと、
   前記ライン・センサを前記角度θ２から角度ｎΔθ（ｎは任意の自然数）だけ戻した角度（θ２−ｎΔθ）にセットするステップと
   を含む、請求項８のマクロ検査方法。
10. 前記光源による前記上面の照射領域が所定の間隔で移動するように、前記被検査物を移動させるステップをさらに含み、
    当該移動ステップと前記被検査物の上面の照射領域からの反射光を受光するステップを前記被検査物の上面の検査が終わるまで、交互に繰り返すことを特徴とする、請求項８ないし９のいずれか１項のマクロ検査方法。